IPDとは?【インテリジェント・パワー・デバイス】

IPD

IPDとは、Intelligent Power Deviceの略で、負荷異常時の保護に加え、スイッチがオフした際に発生する逆起エネルギーを吸収する機能を持ったパワーデバイスです。
大きな逆起エネルギーが発生する自動車等の負荷駆動で使われる場合が多い製品です。

IPS(Intelligent Power Switch)、スマートハイサイドスイッチ/スマートローサイドスイッチと呼ばれる場合もあります。

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回路図

IPDは以下のような回路構成になっています。

IPD回路

メインのパワースイッチと、それを保護するアクティブクランプ回路、過電流保護、過熱保護などが搭載されています。
過電流検知レベルは外部で設定できるものもあります。

異常状態をマイコン等へ出力する端子を持つものを使えば、システムとしてのフェールセーフ性能を向上させることができます。

用途

逆起エネルギーが発生するL性負荷を駆動するのに使われます。

  • ランプ
  • ヒーター
  • モーター
  • ソレノイド

など。
産機系や車載ECUに搭載されることが多い製品です。

アクティブクランプとは

アクティブクランプとは、誘導性負荷の駆動時に発生する逆起電圧でFETスイッチが破壊しないように、耐圧以下の電圧でクランプする技術です。
ダイナミッククランプと呼ばれる場合もあります。

アクティブクランプが必要となる理由

ローサイドスイッチを考えます。

オンからオフに切り替わった際、誘導性負荷は電流を流し続けようとします。
スイッチはオフしているためHi-Zになっています。
そのため、MOSFETのドレイン電圧は急激に上昇し、VDS耐圧:VDSSを超えたところでMOSFETがブレイクダウンして破壊してしまいます。

逆起電力による破壊

したがって、誘導性負荷で起こる逆起電力を吸収して保護する必要があります。
これがアクティブクランプが必要な理由です。

アクティブクランプ回路の動作

アクティブクランプは下図のような回路になります。

アクティブクランプ回路

パワーFETのドレイン-ゲート間にツェナーダイオードとPNダイオードを挿入した回路です。
動作波形は下記のようになります。

アクティブクランプ動作

パワーFETがオフすると、ドレイン電圧:VDが上昇します。
アクティブクランプ回路の両端電圧がVz+VFを超えるとツェナーがブレイクして電流Iacが流れVGSが上昇します。
VGSがゲートしきい値電圧以上に上昇するとパワーFETがオンし、誘導性負荷の回生電流を吸い込みます。

誘導性負荷に溜まったエネルギーを吸収するまでパワーFETがオンし続けます。
その間、VDはアクティブクランプ電圧=Vz+VF+VGSでクランプされます。

誘導性負荷のエネルギーが減少してVDがアクティブクランプ以下まで低下すると、パワーFETはオフし、VD電圧は共振しながらVBATに収束します。

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